具过载保护功能的USB供电433.92MHz RF低噪声放大器接收器

国际电信联盟(ITU)将433.92 MHz工业、科学和医学(ISM)射频频段分配给1区使用，该区域在地理上由欧洲、非洲、俄罗斯、蒙古和阿拉伯半岛组成。尽管最初旨在用于无线电通信之外的应用，但多年来无线技术和标准的进步使得ISM频段在短距离无线通信系统中颇受欢迎。

ITU 1 区的运营商无需为使用433.92 MHz频段获得许可，常见应用包括软件定义无线电、医疗设备和重型机械的工业无线电控制系统。在美国，433.92 MHz频段属于70 cm业余无线电频段（频率范围420 MHz至450 MHz），由获得许可的业余无线电台使用。此频段也常用于低功耗、短距离应用，例如车库门遥控开关、耳机、婴儿监视器，以及电源开关和灯光调节器。

图1所示电路是一个双级RF低噪声放大器(LNA)，针对433.92 MHz ISM频段中的接收器信号链进行了优化。在中心频率，电路产生大约40.5 dB的增益。RF输入和输出端口采用50 Ω阻抗匹配设计，支持电路与标准50 Ω系统之间的直接连接。其输入未经滤波，保持1.4 dB噪声系数，但输出端配有SAW滤波器，会消减带外干扰。

该电路中包含高速过载检测器和关断开关，用于保护连接至接收器系统的下游敏感设备。当RF功率水平下降到可接受范围内时，接收器系统也会自动恢复正常运行。RF输入和输出是标准的SMA连接器，整个设计由一个微型USB连接器供电。

图1.CN0555简化功能框图

评估和设计支持

►电路评估板
►CN0555电路评估板(EVAL-CN0555-EBZ)
►设计和集成文件
►原理图、布局文件、物料清单

电路描述

RF放大器级

CN0555在其RF信号路径中使用两个ADL5523低噪声放大器。ADL5523是一款高性能砷化镓(GaAs)假晶高电子迁移率晶体管(pHEMT) RF低噪声放大器，提供高增益和低噪声系数。图2显示该器件的典型S参数性能，在整个频率范围内，其典型增益为21.5 dB，回波损耗高于10 dB。

ADL5523的典型噪声系数为0.8 dB，1 dB压缩点(P1dB)为21 dBm，三阶交调点(OIP3)为34 dBm。将两个ADL5523放大器级联，以实现40 dB整体增益。

图2.ADL5523典型S-参数

阻抗匹配网络

ADL5523需要使用一个外部匹配网络，该网络的阻抗针对所需的频段进行调谐，以实现优化性能。输入匹配网络包括与RFIN引脚串联的电感和一个并联电容。在输出端，匹配网络以类似的方式在偏置线路上使用电感和电容。图3展示完整的阻抗匹配网络，以及将两个ADL5523放大器级联的实现方案。

图3.用于级联ADL5523放大器的基本连接

这些元件的正确布局对于输入/输出阻抗匹配也很重要；因此，CN0555遵循ADL5523数据手册中针对500 MHz调谐频带的推荐布局和组件大小。

SAW滤波器

CN0555的LNA输出通过表面声波(SAW)滤波器进行滤波，有助于消除不必要的带外放大。选择滤波器时，必须在频带平坦度和带外抑制之间取得平衡。SAW滤波器也是一个插入损耗源，它会降低信号链的整体增益，选择时需要仔细考虑。CN0555使用的SAW滤波器具有2 dB典型插入损耗和50 Ω端接阻抗。

RF定向耦合器

CN0555包含一个纤薄、超小型的高性能3 dB 90°混合耦合器。该器件的工作频率为400 MHz至900 MHz，输入和输出阻抗为50 Ω，433.92 MHz时的典型插入损耗为0.3 dB。

RF开关

ADG901是采用CMOS工艺制成的宽带RF开关，可以提供高隔离和低插入损耗。它是一种吸收式开关，具有50 Ω端接输入和输出。该开关允许用户传递高达0.5 V的DC信号，无需使用隔直电容。

ADG901的工作频率为DC至4.5 GHz，在4.5 GHz时的插入损耗为3 dB。在433.92 MHz中心频率时，此器件在“导通状态”下的典型插入损耗为0.4 dB，如图4所示；在“关断状态”下的典型插入损耗约为70 dB，如图5所示。

图4.ADG901在导通状态下的插入损耗性能


图5.ADG901在关断状态下的隔离损耗性能

组合来自滤波器、耦合器和RF开关的插入损耗，在正常工作条件下，RF开关的输出端产生的总插入损耗约为2.7 dB。

RF性能

CN0555中得到的S参数、相位噪声测量结果、无杂散动态范围(SFDR)、噪声系数和稳定性测量值如下图所示。

在433.92 MHz中心频率下，CN0555实现了40.5 dB的增益，输入和输出回波损耗大于10 dB。图6显示在其工作范围内的S参数值。

图6.EVAL-CN0555-EBZ S参数与频率的关系

图7显示在433.92 MHz时的单边带相位噪声，在10 Hz、1 MHz和10 MHz偏置时分别约为-98 dBc/Hz、-131 dBc/Hz和-149 dBc/Hz。

图7.433 MHz时的单边带相位噪声

图8显示窄带单音RF输出，SFDR为58.38 dBFS。

图8.窄带单音RF输出

图9显示频率范围内相应的噪声系数，在433.92 MHz中心频率下约为0.8 dB。

图9.噪声系数与频率的关系

系统在整个433.92 MHz ISM频率带宽保持稳定，Rollet稳定性因子(k)高于1，辅助稳定性指标(B1)高于0，如图10所示。这使得CN0555在任何源阻抗和负载阻抗组合下，都能绝对保持稳定。

图10.稳定性因子和测量值与频率的关系

过载保护

CN0555中集成了过载管理功能，当输出功率达到预先设置的阈值时，该电路板的RF路径会自动隔离。此功能使用ADL5904 RF功率检波器来实现。

ADL5904提供电阻可编程检测阈值，将内部包络检波器电压与用户定义的输入电压进行比较。当包络检波器电压超过用户定义的V_IN−引脚的阈值电压时，内部比较器捕获事件并将其锁定在设置/复位(SR)触发器中。图11显示了CN0555的过载保护电路。

图11.CN0555过载保护电路

如图11所示，使用3 dB、90°混合耦合器对放大的RF输入进行采样。此功率传输至ADL5904的RFIN引脚，然后由内部包络检波器进行采样。ADL5904 V_IN-引脚上的阈值电压电平由电阻分压器网络设置，该值可以使用公式1计算得出。



其中：

V_IN-是ADL5904的V_IN-引脚的电压电平。
R₁₀是用户定义的电阻值。
R₁₁是用户定义的电阻值。
I_OS为输入偏置电流。

CN0555的输入阈值功率设置为0 dBm，以保护连接至接收器系统的下游敏感设备。如表1所示，当工作频率为900 MHz时，0 dBm阈值功率对应V_IN-的241 mV电压电平。

表1.工作频率未校准时，推荐的阈值电压(V_IN-)典型值

V_IN−的阈值电平由电阻分压器设置。选择R₁₀和R₁₁的绝对值，尽可能减少3.3 V电源轨上的负载，同时提供不受泄漏电流和偏置电流影响的输出阻抗。将R₁₀设置为13.7 kΩ，使R₁₁的值为1.02 kΩ，这会产生可忽略不计的224 μA分压器电流和991 Ω输出阻抗。

V_IN- = 241 mV
I_BIAS = 20 µA
R₁₀ = 13.7 kΩ



R₁₁ = 991 Ω或1.02 kΩ（使用标准电阻值）

使用最接近的标准电阻值求解公式1，将V_IN-电压电平设置为241.9 mV。当功率超过阈值时，发生过载事件，将隔离RF路径。

ADL5904在其RF阈值功率上引入高达+2.5 dBm的误差电平，该值因器件而异。如果需要准确的阈值功率，必须执行简单的校准程序，以补偿器件与器件之间的差异。有关校准程序的更多信息，参见ADL5904数据手册。

自动复位功能

CN0555还包含自动复位电路，当功率电平返回到可接受范围内时激活。此功能由LTC6991可编程低频率定时器执行。

如图12所示，ADL5904的输出使LTC6991在正常工作期间保持在复位模式。发生过载事件时，LTC6991启用，并且开始4 ms延迟。ADL5904在4 ms后复位，对功率电平重新采样。如果过载状态持续，ADL5904再次断路，RF开关的控制信号进入低电平状态。这种信号转变会隔离ADG901开关的RF输入和输出。过载事件过去后，ADL5904开始重新采样功率电平，然后返回正常工作状态。

图12.CN0555自动复位电路

过载保护测试

图13显示了用于测试CN0555的过载保护功能的设置。在该测试中，RF信号发生器设置采用433.92 MHz中心频率，输入功率从-50 dBm爬升至-40 dBm。CN0555输出功率由高速示波器进行监控，该器件显示从发生过载事件到输出功率被衰减的响应时间。

图13.RF过载响应测试设置

图14显示过载保护响应时间。根据该图，从正常工作到RF输出功率被衰减，CN0555拥有约9 ns的响应时间。图15显示从过载状态结束到功率电平返回可接受范围的恢复时间。该数据显示，从衰减RF输出到正常工作，期间存在7 ns延迟。

图14.典型的过载保护响应时间


图15.发生过载事件后的典型恢复时间

USB电源管理

CN0555通过微型USB适配器获取电源，该适配器一般通过微型USB端口提供5 V、1 A电源。此电路要求在正常工作期间获取约113.61 mA电流。要满足这项电源要求，需要使用两个电源电压。第一个电源为ADL5523低噪声放大器、ADL5904 RF检波器和LTC6991低频率定时器提供3.3 V电源。第二个电源为ADG901 RF开关提供2.5 V电源。图16显示CN0555的整个电源结构。

图16.CN0555电源架构

LT3042是一款高性能低压差(LDO)线性稳压器，采用超低噪声和超高电源抑制比(PSRR)架构，以便为噪声敏感型射频应用供电。LT3042设计用作后接高性能电压缓冲器的精密电流基准，可轻松并联以便进一步降低噪声，增加输出电流并在印刷电路板上散热。要配置LT3042提供3.3 V输出，所需的基本配置如图17所示。

图17.LT3042提供3.3 V输出所需的配置

LT3042在SET引脚上集成一个精密100 µA电流源，该引脚还连接到放大器的反相输入。图17显示将电阻从SET引脚连接至GND会生成一个基准电压。该基准电压是SET引脚电流100 µA和SET引脚电阻的乘积，如公式2所示。



ADM7170-2.5 LDO稳压器用于生成ADG901 RF开关所需的电源电压。该器件具有2.3 V至6.5 V的输入电压范围和2.5 V固定输出电压。ADM7170-2.5只需要输入电容和输出电容即可正常工作。特别是，ADM7170-2.5可在其输入和输出引脚上使用4.7 µF小型解耦电容。

常见变化

ADL5521可以用作替代型低噪声放大器，适用于使用433.92 MHz ISM频带的应用。该器件提供略低的增益、更高的噪声系数、OIP3和OP1dB。ADL5521采用与ADL5523相同的功率电平。两个器件的尺寸非常类似。

ADG902也可用作RF开关；此器件引脚兼容，并具有与ADG901相同的规格，但它是一种反射开关，提供更低的隔离损耗。

ADI公司还提供类似的用于在5.8 GHz ISM频段下工作的接收器放大器的参考设计。欲了解更多信息，请参阅CN0534电路笔记。

电路评估与测试

本节介绍评估CN0555的评估设置和步骤。有关电路评估设置的完整信息，请参阅EVAL-CN0555-EBZ用户指南。

设备要求

►EVAL-CN0555-EBZ电路评估板
►Rohde & Schwarz^® SMA100B信号发生器
►Keysight^® E5052B信号分析仪
►Keysight N5242A PNA-X矢量网络分析仪
►5 V micro USB电源适配器或micro USB转USB电缆
►一根SMA至SMA电缆

设置和测试

图18显示了EVAL-CN0555-EBZ与矢量网络分析仪的正确端口连接。

图18.S参数和噪声系数测试设置

测量S参数和噪声系数的步骤如下：

1.将矢量网络分析仪设置为所需的测量条件，步骤如下：
  a.将频率扫描范围设置为400 MHz至500 Mhz。
  b.将频率步长设置为10 kHz。
  c.功率电平必须小于或等于-45 dBm。
2.使用校准套件对矢量网络分析仪执行完整的2端口校准。请注意，EVAL-CN0555-EBZ的RF输入可以直接连到测试端口，因此测试设置仅需要一根测量电缆。
3.使用校准的测试设置将EVAL-CN0555-EBZ连接在矢量网络分析仪的测试端口上。
4.使用5 V电源适配器为EVAL-CN0555-EBZ供电。
5.设置矢量网络分析仪，以显示各个S参数和噪声系数的迹线。
6.将测量值与期望值进行比较。在433.92 MHz中心频率下，输入和输出回波损耗值分别约为16 dB和20.4 dB。对于增益和噪声系数，数值分别应为约40 dB和1.2 dB。

图19显示了执行相位噪声和SFDR测试时EVAL-CN0555-EBZ与信号分析仪和信号发生器的正确连接。

图19.相位噪声和SFDR测试设置

要执行相同的测试，请遵循以下步骤：

1.按如下步骤设置信号分析仪所需的测量配置：
  a.为了执行SFDR测量，设置中心频率 = 433.92 MHz，频率范围 = 400 MHz至500 MHz，RF幅值 = 10 dBm。
  b.为了执行相位噪声测量，设置中心频率 = 433.92 MHz，偏移频率范围 = 10 Hz至30 MHz。
2.将信号发生器的功率电平设置在-50 dBm至-40 dBm之间，中心频率设置为433.92 MHz。
3.将信号发生器输出连接到EVAL-CN0555-EBZ的RF输入。
4.将EVAL-CN0555-EBZ的RF输出连接到信号分析仪。
5.使用5 V电源适配器为EVAL-CN0555-EBZ供电，该适配器的额定功率高于500 mW。
6.在信号分析仪上执行测量运行。
7.使用信号分析仪获取相位噪声值，并验证在10 kHz频偏下其值是否约为-125 dBc/Hz。
8.运行SFDR测试并比较读数；期望值约为60 dBc。

更多资料

CN0555设计和集成文件
ADIsimRF™ RF信号链计算工具
LTspice^® SPICE仿真软件
LTpowerCAD^®设计工具
MT-031指南，“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”。ADI公司，
MT-073指南，“高速可变增益放大器(VGA)。”ADI公司，
指南MT-101。“去耦技术”。ADI公司，
Whitlow，Dana。“现代通信系统中接收机用自动增益控制环路的设计与操作。”Chapter 8.ADI公司无线研讨会。2006.

数据手册和评估板

CN0555评估板(EVAL-CN0555-EBZ)、ADL5523数据手册、ADL5523评估板、ADG901数据手册、ADG901评估板、ADL5904数据手册、ADL5904评估板、LT3042数据手册、LT3042评估板、ADM7170数据手册、ADM7170评估板、LTC6991数据手册、LTC6991评估板

ESD警告

ESD（静电放电）敏感器件。带电器件和电路板可能会在没有察觉的情况下放电。尽管本产品具有专利或专有保护电路，但在遇到高能量ESD时，器件可能会损坏。因此，应当采取适当的ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能丧失。

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